JP2008244236A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置、特に大電流を流すパワーMOSトランジスタ等において、基板電位の上昇による寄生バイポーラ動作を防止するための基板接続部の構造に関するものである。 The present invention relates to a structure of a substrate connection portion for preventing a parasitic bipolar operation due to an increase in substrate potential in a semiconductor device, particularly, a power MOS transistor that flows a large current.
例えばNチャネルMOSトランジスタ(以下、「NMOS」という)は、p型の半導体基板の表面にチャネル領域を挟んで対向するn型のドレイン領域とソース領域を形成すると共に、チャネル領域上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成した構成とし、このゲート電極に与える電圧によってドレイン・ソース間の電流を制御するようになっている。この構成は、バイポーラ・トランジスタに対応させた場合、n型のドレインがコレクタに、p型の基板がベースに、n型のソースがエミッタにそれぞれ対応するNPNトランジスタとなる。 For example, an N-channel MOS transistor (hereinafter referred to as “NMOS”) forms an n-type drain region and a source region facing each other across a channel region on the surface of a p-type semiconductor substrate, and a gate insulating film on the channel region. The gate electrode is formed through the gate electrode, and the drain-source current is controlled by the voltage applied to the gate electrode. In this configuration, when the bipolar transistor is used, the n-type drain corresponds to the collector, the p-type substrate corresponds to the base, and the n-type source corresponds to the emitter.
このようなNMOSのゲート電極に電圧を印加してドレイン・ソース間に大電流を流すと、ソース領域と基板との間の抵抗により、基板の電位が上昇する。基板の電位が上昇することは、NPNトランジスタのベース電位が上昇したことになる。このため、ベース電位の上昇がベース・エミッタ間の閾値電圧(例えば、0.7V)を超えると、NMOSのゲート電極の電圧とは無関係に、寄生NPNトランジスタのコレクタ・エミッタ間(即ち、NMOSのドレイン・ソース間)に電流が流れ続けるラッチアップ状態が発生する。また、ドレインに静電気等のサージが入った場合にも、ドレインから基板に電流が流れ、この電流によって基板の電位が上昇して寄生NPNトランジスタがオン状態となり、ドレイン・ソース間に過電流が流れてNMOSが破壊するおそれがある。 When a voltage is applied to such an NMOS gate electrode and a large current flows between the drain and source, the potential of the substrate rises due to the resistance between the source region and the substrate. An increase in the potential of the substrate means an increase in the base potential of the NPN transistor. For this reason, when the increase in the base potential exceeds the threshold voltage between the base and the emitter (for example, 0.7 V), the voltage between the collector and the emitter of the parasitic NPN transistor (that is, the NMOS voltage) is independent of the voltage of the NMOS gate electrode. A latch-up state in which current continues to flow between the drain and the source occurs. In addition, even when a surge such as static electricity enters the drain, a current flows from the drain to the substrate. This current increases the potential of the substrate and turns on the parasitic NPN transistor, causing an overcurrent to flow between the drain and source. The NMOS may be destroyed.
このようなラッチアップや静電破壊対策として、特に大電流を流すパワーMOSトランジスタでは、ソース領域の一部を基板に密接してソースと基板との間の電位差の発生を抑制するための基板接続部を設けることが多い。 As a countermeasure against such latch-up and electrostatic breakdown, especially in a power MOS transistor that conducts a large current, a substrate connection for suppressing the occurrence of a potential difference between the source and the substrate by bringing a part of the source region into close contact with the substrate There are many parts.
図2は、基板接続部を有する従来のNMOSの構成図であり、同図(a)は平面図、同図(b),(c)は、それぞれ同図(a)中のX−X,Y−Yにおける断面を示す断面図である。 2A and 2B are configuration diagrams of a conventional NMOS having a substrate connection portion, where FIG. 2A is a plan view, and FIGS. 2B and 2C are respectively XX and XX in FIG. It is sectional drawing which shows the cross section in YY.
このNMOSは、p型の基板1に設けられた素子分離部2で分離された素子形成領域内に形成されたもので、中央にソース領域10が形成され、このソース領域10の両側にゲート領域20を介してドレイン領域30が形成されている。
The NMOS is formed in an element formation region isolated by an
ソース領域10は、領域全体に低濃度のn−不純物が拡散された電界緩和層11と、この電界緩和層11の内側に高濃度のn+不純物が拡散された高濃度拡散層12を有している。更に、ソース領域10には、図2(b)に示すように、高濃度拡散層12と電界緩和層11の一部に、基板1の表面からp型の基板本体に達するように高濃度のp+不純物が拡散された基板接続部13が形成されている。この基板接続部13は1辺の長さが約2μmの正方形を柱状にした正四角柱で、図2(a)に示すように、その正方形の辺がゲート領域20との境界線に平行に配置されている。
The
ドレイン領域30は、領域全体に低濃度のn−不純物が拡散された電界緩和層31と、この電界緩和層31の内側に高濃度のn+不純物が拡散された高濃度拡散層32で形成されている。
The
素子分離部2で分離された素子形成領域内の基板表面にはゲート絶縁膜3が形成され、ゲート領域20のゲート絶縁膜3上には、その一部がソース領域とドレイン領域の電界緩和層11,31とオーバーラップするように、ゲート電極21が形成されている。
A
ゲート電極21が形成された基板1の表面全体は絶縁層4で覆われ、この絶縁層4の上にソース配線14、ドレイン配線33、及び図示しないゲート配線等が設けられている。そして、ソース配線14と高濃度拡散層12及び基板接続部13との間が、絶縁層4を貫通して形成されたコンタクト15で電気的に接続されている。また、ドレイン配線33と高濃度拡散層32との間も、絶縁層4を貫通して形成されたコンタクト34で電気的に接続されている。
The entire surface of the
なお、図示していないが、ゲート電極21に対する配線も同様に形成されている。また、素子分離部2の外側のアクティブ領域には、高濃度のp+不純物が拡散された基板電位取り出し部5が形成され、このNMOSが形成された基板1表面は保護膜6で保護されている。
Although not shown, the wiring for the
例えば、電源電圧20Vクラスで大電流を流すNMOSの場合、このような基板接続部13を、ゲート幅方向(ゲート領域20に平行する方向)に10μmおきに設けることにより、ソース領域10と基板1との間の抵抗を低く抑え、基板電位の上昇による寄生バイポーラ動作を防止することができる。
For example, in the case of an NMOS in which a large current flows with a power supply voltage of 20 V class, such a
しかしながら、前記基板接続部13のソース側抵抗は、高濃度拡散層12の抵抗の2倍以上あるので、この基板接続部13に対向したソース領域10には、電流が流れにくい。例えば、ゲート幅が50μmの場合、基板接続部13を4〜5個形成する必要がある。この基板接続部13の形成により、基板接続部13の占める長さはゲート幅方向に10μmとなり、ゲートの実効幅が10〜20%減少する。このため、その減少分だけゲート幅を広く形成する必要があり、素子サイズが大きくなるという課題があった。
However, since the source-side resistance of the
本発明は、素子サイズを大きくせずにソース領域と基板との間の抵抗を低減することが可能な基板接続部を有する半導体装置の提供を目的としている。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a substrate connection portion that can reduce the resistance between a source region and a substrate without increasing the element size.
本発明は、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に第2導電型不純物を拡散して形成された第1電極領域と、前記第1電極領域からゲート領域を隔てて前記半導体基板上に第2導電型不純物を拡散して形成された第2電極領域と、前記半導体基板上に形成された絶縁層と、前記絶縁層と介在させて前記第1電極領域上に形成された電極配線と、前記第1電極領域と前記ゲート領域との境界線に平行して一定の間隔で1列に配置され、前記電極配線から前記絶縁層を貫通して前記第1電極領域の第2導電型不純物拡散領域に接続する複数のコンタクトと、前記複数のコンタクトの内でN個(但し、Nは2以上の整数)に1個の割合で選択されたコンタクトが前記半導体基板の第1電極領域に接続する箇所に、高濃度の第1導電型不純物を該半導体基板本体に達するように拡散して形成された複数の基板接続部とを有する半導体装置において、前記複数の基板接続部を、側面が前記第1電極領域と前記ゲート領域との境界線に対して斜めの角度を有する正四角柱状に形成したことを特徴としている。 The present invention relates to a semiconductor substrate of a first conductivity type, a first electrode region formed by diffusing a second conductivity type impurity on the semiconductor substrate, and a semiconductor substrate with a gate region separated from the first electrode region. A second electrode region formed by diffusing impurities of a second conductivity type thereon; an insulating layer formed on the semiconductor substrate; and an electrode formed on the first electrode region with the insulating layer interposed therebetween A second conductive layer in the first electrode region is arranged in a row at a constant interval parallel to a boundary line between the wiring and the first electrode region and the gate region, and penetrates the insulating layer from the electrode wiring. A plurality of contacts connected to the type impurity diffusion region, and a contact selected at a ratio of N (N is an integer of 2 or more) among the plurality of contacts to the first electrode region of the semiconductor substrate High-concentration first-conductivity-type impurities at locations connected to In a semiconductor device having a plurality of substrate connection portions formed to diffuse so as to reach the semiconductor substrate body, the side surfaces of the plurality of substrate connection portions are border lines between the first electrode region and the gate region. It is characterized in that it is formed in a regular quadrangular prism shape having an oblique angle.
本発明では、第1電極領域を基板に接続するための基板接続部を、側面が第1電極領域とゲート領域との境界線に対して斜めの角度を有する正四角柱状に形成している。これにより、境界線に対して平行に形成された正四角柱状の基板接続部に比べて、電流の流れる範囲が広がり、素子サイズを大きくせずにソース領域と基板との間の抵抗を低減することができるという効果がある。 In the present invention, the substrate connecting portion for connecting the first electrode region to the substrate is formed in a regular quadrangular prism shape whose side surface has an oblique angle with respect to the boundary line between the first electrode region and the gate region. As a result, compared to a regular quadrangular columnar substrate connection portion formed in parallel to the boundary line, the current flowing range is widened, and the resistance between the source region and the substrate is reduced without increasing the element size. There is an effect that can be.
この発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、次の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、より完全に明らかになるであろう。但し、図面は、もっぱら解説のためのものであって、この発明の範囲を限定するものではない。 The above and other objects and novel features of the present invention will become more fully apparent when the following description of the preferred embodiment is read in conjunction with the accompanying drawings. However, the drawings are for explanation only, and do not limit the scope of the present invention.
図1は、本発明の実施例1を示すNMOSの構成図であり、同図(a)は平面図、同図(b),(c)は、それぞれ同図(a)中のA−A,B−Bにおける断面を示す断面図である。なお、図1において、図2中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
FIG. 1 is a configuration diagram of an NMOS showing
このNMOSは、p型半導体の基板1に設けられた素子分離部2で分離された素子形成領域内に形成されたもので、中央にソース領域10Aが形成され、このソース領域10の両側にゲート領域20を介してドレイン領域30が形成されている。
The NMOS is formed in an element formation region isolated by an
ソース領域10Aは、領域全体に低濃度のn−不純物が深さ0.34μm程度拡散された電界緩和層11と、この電界緩和層11の内側に高濃度のn+不純物が深さ0.1μm程度拡散された高濃度拡散層12を有している。更に、ソース領域10Aには、図1(b)に示すように、高濃度拡散層12と電界緩和層11の一部に、基板1の表面からp型の基板本体に達するように高濃度のp+不純物が拡散された基板接続部13Aが、ゲート領域20との境界線に平行して一定の間隔で形成されている。
The source region 10A has an electric
この基板接続部13Aは、1辺の長さが約2μmの正方形の断面を有する正四角柱で、図1(a)に示すように、その正方形の辺がゲート領域20との境界線に対して斜め(この図では45°)の角度を有するように配置されている。
The
ドレイン領域30は、領域全体に低濃度のn−不純物が拡散された電界緩和層31と、この電界緩和層31の内側に高濃度のn+不純物が拡散された高濃度拡散層32で形成されている。
The
素子分離部2で分離された素子形成領域内の基板表面にはゲート絶縁膜3が形成され、ゲート領域20のゲート絶縁膜3上には、その一部がソース領域とドレイン領域の電界緩和層11,31とオーバーラップするように、ゲート電極21が形成されている。
A
ゲート電極21が形成された基板1の表面全体は絶縁層4で覆われ、この絶縁層4の上にソース配線14、ドレイン配線33、及び図示しないゲート配線等が設けられている。そして、ソース配線14と高濃度拡散層12の間と、ソース配線14と基板接続部13Aとの間が、それぞれ絶縁層4を貫通して形成されたコンタクト15で電気的に接続されている。なお、この図1では、高濃度拡散層12に対するコンタクト15と基板接続部13Aに対するコンタクト15が、1個おきに交互に設けられている。
The entire surface of the
また、ドレイン配線33と高濃度拡散層32との間も、絶縁層4を貫通して形成されたコンタクト34で電気的に接続されている。なお、図示していないが、ゲート電極21に対する配線も同様に形成されている。また、素子分離部2の外側のアクティブ領域には、高濃度のp+不純物が拡散された基板電位取り出し部5が形成され、このNMOSが形成された基板1表面は保護膜6で保護されている。
Further, the
このようなNMOSを、例えば、電源電圧20Vで大電流を流す目的で使用する場合、基板接続部13Aをゲート幅方向(ゲート領域20に平行する方向)に10μmおきに設けることにより、ソース領域10と基板1との間の抵抗を低く抑え、基板電位の上昇による寄生バイポーラ動作を防止することができる。
For example, when such an NMOS is used for the purpose of flowing a large current at a power supply voltage of 20 V, the
図3は、図1と図2のNMOSの動作比較図で、ソース領域に流れる電流の経路を模式的に示したものである。図3において、実線は図1のNMOSの基板接続部13Aと電流を示し、破線は図2のNMOSの基板接続部13と電流を示している。
FIG. 3 is an operation comparison diagram of the NMOS of FIGS. 1 and 2 and schematically shows a path of a current flowing through the source region. In FIG. 3, a solid line indicates the
この図3に示すように、図2のNMOSでは正方形の基板接続部13の辺がゲート電極と平行に配置されている。このため、ドレイン領域からゲート領域を介してソース領域のコンタクト15に流れる電流は、ゲート電極と基板接続部13の間の狭い箇所に集中して流れる。
As shown in FIG. 3, in the NMOS shown in FIG. 2, the side of the square
これに対して、図1のNMOSでは正方形の基板接続部13Aの辺がゲート電極に対して45°の傾きを有しているので、ドレイン領域からゲート領域を介してソース領域のコンタクト15へ流れる電流は、斜めに広がって流れることができる。
On the other hand, in the NMOS of FIG. 1, the side of the square
以上のように、この実施例1のNMOSは、基板接続部13Aの側面をゲート電極に対して45°の傾きを持たせて形成しているので、この基板接続部13Aとゲート電極に挟まれたソース領域の抵抗を、図2のNMOSに比べて減少させること可能になる。これにより、ゲート幅を広く形成しなくても(素子サイズを大きくしなくても)、ソース領域と基板との間の抵抗を効果的に低減することができるという利点がある。
As described above, the NMOS according to the first embodiment is formed so that the side surface of the
図4は、本発明の実施例2を示すNMOSの構成図であり、同図(a)は平面図、同図(b),(c)は、それぞれ同図(a)中のC−C,D−Dにおける断面を示す断面図である。なお、図4において、図1中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
FIG. 4 is a configuration diagram of an
このNMOSは、図1のNMOSにおけるソース領域10Aに代えて、構造の異なるソース領域10Bを設けたものである。
This NMOS is provided with a
即ち、このソース領域10Bは、図4(b),(c)に示すように、高濃度のn+不純物が深さ約0.1μmまで拡散された高濃度拡散層12の底面下部領域に、高エネルギーイオン注入技術を用いて高濃度のp+不純物を深さ約0.43μm埋め込んだ、埋め込み基板接続部16を有している。
That is, as shown in FIGS. 4B and 4C, the
また、この埋め込み基板接続部16をソース配線14に接続するための基板接続部13Bは、図4(a),(b)に示すように、ソース領域10の中央部に1箇所だけ設けられている。この基板接続部13Bは、図1中の基板接続部13Aと同様に、1辺の長さが約2μmの正方形で、図4(a)に示すように、その正方形の辺がゲート領域20との境界線に対して45°の角度をなすように配置されている。基板接続部13Bは、高濃度拡散層12に、基板1の表面から埋め込み基板接続部16に達するように、高濃度のp+不純物を深さ0.15μm程度拡散して形成したものである。その他の構成は、図1と同様である。
Further, as shown in FIGS. 4A and 4B, the substrate connection portion 13B for connecting the embedded substrate connection portion 16 to the
このNMOSでは、ソース領域10Bの高濃度拡散層12の底面下部領域全体に形成された埋め込み基板接続部16が基板1と接続され、この埋め込み基板接続部16の中央に拡散された高濃度のp+不純物による基板接続部13Bを介してソース配線14に接続されている。これにより、ソース電極と基板1はほぼ同電位に保持される。
In this NMOS, the buried substrate connecting portion 16 formed in the entire bottom region of the bottom surface of the high
以上のように、この実施例2のNMOSは、ソース領域10Bの底面下部全体に形成された埋め込み基板接続部16とソース配線14とを1つの基板接続部13Bで接続している。これにより、ソース電極と基板1はほぼ同電位に保持されて基板電位の上昇によるラッチアップや静電破壊を効果的に抑制することができると共に、基板接続部13Bが1箇所のみであるので、ソース領域は基板接続部13Bの影響を殆ど受けなくなり、ソース幅を増加させる必要がなくなり、素子の小型化が可能になるという利点がある。
As described above, in the NMOS according to the second embodiment, the embedded substrate connecting portion 16 and the
なお、本発明は、上記実施例に限定されず、種々の変形が可能である。この変形例としては、例えば、次のようなものがある。
(1) NMOSについて説明したが、PチャネルMOSトランジスタに対しても同様に適用することができる。
(2) 用途によっては、ソース領域ではなく、ドレイン領域に基板接続部を設けることも可能である。
(3) 実施例1では、ソース領域10Aのコンタクト2個に対して基板接続部13Aを1個の割合で設けた例を説明したが、基板接続部の寸法や配置数や位置は任意であり、トランジスタの容量等に応じて適切に設定することができる。
(4) 実施例2の基板接続部13Bは1箇所であるが、2箇所以上設けても良い。また、この基板接続部13Bの形状は正四角柱に限定されず、円柱状等でも良い。
(5) ソース領域10A,10Bの両側にゲート領域20を挟んでドレイン領域30が形成されたNMOSを例示したが、ソース領域、ゲート領域及びドレイン領域の数はこれに限定されない。
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible. Examples of this modification include the following.
(1) Although the NMOS has been described, the present invention can be similarly applied to a P-channel MOS transistor.
(2) Depending on the application, it is possible to provide the substrate connection portion in the drain region instead of the source region.
(3) In Example 1, although the example which provided the board |
(4) Although the substrate connection part 13B of Example 2 is one place, you may provide two or more places. Further, the shape of the board connecting portion 13B is not limited to a regular quadrangular prism, and may be a cylindrical shape or the like.
(5) Although the NMOS in which the
1 基板
2 素子分離部
3 ゲート絶縁膜
4 絶縁層
5 基板電位取り出し部
6 保護膜
10A,10B ソース領域
11,31 電界緩和層
12,32 高濃度拡散層
13A,13B 基板接続部
14 ソース配線
15,34 コンタクト
16 埋め込み基板接続部
20 ゲート領域
21 ゲート電極
30 ドレイン領域
33 ドレイン配線
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記複数の基板接続部は、側面が前記第1電極領域と前記ゲート領域との境界線に対して斜めの角度を有する正四角柱状に形成されたことを特徴とする半導体装置。 A first conductive type semiconductor substrate; a first electrode region formed by diffusing a second conductive type impurity on the semiconductor substrate; and a second region on the semiconductor substrate with a gate region separated from the first electrode region. A second electrode region formed by diffusing conductive impurities, an insulating layer formed on the semiconductor substrate, an electrode wiring formed on the first electrode region with the insulating layer interposed therebetween, A second conductivity type impurity diffusion region of the first electrode region, which is arranged in a row at a constant interval in parallel with a boundary line between the first electrode region and the gate region and penetrates the insulating layer from the electrode wiring. A plurality of contacts that are connected to the first electrode region of the semiconductor substrate, and contacts that are selected at a ratio of N (N is an integer of 2 or more) among the plurality of contacts to the first electrode region of the semiconductor substrate In addition, a high-concentration first conductivity type impurity is added to the semiconductor In a semiconductor device having a plurality of board connecting portion which is formed by diffusing to reach the plate body,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the plurality of substrate connection portions are formed in a regular quadrangular prism shape whose side surfaces have an oblique angle with respect to a boundary line between the first electrode region and the gate region.
前記半導体基板上に第2導電型不純物を拡散して形成された第1電極領域と、
前記第1電極領域の下側の前記半導体基板に高濃度の第1導電型不純物を注入して形成された埋め込み基板接続部と、
前記第1電極領域からゲート領域を隔てて前記半導体基板上に第2導電型不純物を拡散して形成された第2電極領域と、
前記半導体基板上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層と介在させて前記第1電極領域上に形成された電極配線と、
前記電極配線から前記絶縁層を貫通して前記第1電極領域の第2導電型不純物拡散領域に接続する複数のコンタクトと、
前記複数のコンタクトの内の少なくとも1個のコンタクトが前記半導体基板の第1電極領域に接続する箇所に、高濃度の第1導電型不純物を前記埋め込み基板接続部に達するように拡散して形成された基板接続部とを、
備えたことを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type semiconductor substrate;
A first electrode region formed by diffusing a second conductivity type impurity on the semiconductor substrate;
A buried substrate connecting portion formed by implanting a high-concentration first conductivity type impurity into the semiconductor substrate below the first electrode region;
A second electrode region formed by diffusing a second conductivity type impurity on the semiconductor substrate across the gate region from the first electrode region;
An insulating layer formed on the semiconductor substrate;
An electrode wiring formed on the first electrode region with the insulating layer interposed therebetween;
A plurality of contacts connecting from the electrode wiring to the second conductivity type impurity diffusion region of the first electrode region through the insulating layer;
At least one contact of the plurality of contacts is formed by diffusing high-concentration first conductivity type impurities so as to reach the buried substrate connecting portion at a position where the contact is connected to the first electrode region of the semiconductor substrate. Board connection part
A semiconductor device comprising the semiconductor device.
前記コンタクトは、前記第1電極領域の高濃度の第2導電型不純物が拡散された領域に接続するように配置されたことを特徴とする請求項1〜3の内のいずれか1項に記載の半導体装置。 The first electrode region and the second electrode region are formed by diffusing a low concentration second conductivity type impurity in the peripheral portion and a high concentration in the central portion, respectively.
4. The device according to claim 1, wherein the contact is disposed so as to be connected to a region where the high-concentration second conductivity type impurity in the first electrode region is diffused. 5. Semiconductor device.
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